碩 碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文
排 排 排氣 氣 氣다 다 다기 기 기관 관 관에 에 에서 서 서 合 合性 合 性 性가 가 가스 스 스 燃 燃燒 燃 燒 燒에 에 에 의 의 의한 한 한 溫
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溫度 度 度上 上 上昇 昇 昇에 에 에 關 關 關한 한 한 實 實 實驗 驗 驗的 的 的 硏 硏 硏究 究 究
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목 목 목 차 차 차
Listoftables···iv
Listoffigures···v
국문요약 ···vii Ⅰ ⅠⅠ...서서서 론론론 ···111 1.1연구의 배경 ···1
1.2연구 동향 ···3
1.3연구의 개요 및 목적 ···5
I IIIII...가가가솔솔솔린린린기기기관관관의의의 유유유해해해배배출배출출가가가스스스 생생생성성성과과과 저저저감감감 ···777 2.1자동차 배출오염물질 ···7
2.1.1탄화수소(HC)···7
2.1.2일산화탄소(CO)···8
2.1.3질소산화물(NOx)···9
2.1.4이산화탄소(CO2)···10
2.2배출오염물질의 인체 및 대기 유해성 ···11
2.2.1탄화수소(HC)···11
2.2.2일산화탄소(CO)···11
2.2.3질소산화물(NOx)···12
(1)NO 및 NO2의 독성 ···12
(2)광화학 스모그의 독성 ···13
2.2.4이산화탄소(CO2)···14
2.3가솔린기관의 작동조건과 유해배출가스의 상관성 ···15
2.4가솔린기관의 유해 배출가스 저감 기술 ···15
2.4.1후처리장치를 이용한 유해 배출가스 저감 ···17
2.4.2배기재순환(EGR)···18
2.4.3근접장착시 촉매장치(CCC)···18
2.4.4가솔린 직분사 기관(GDI)···19
2.4.5가변 밸브타이밍 시스템(VVT)···20
2.4.6배기가스 점화기술(EGI)···21
2.4.7미연 배기가스 점화기술(UEGI)···22
2.5배기다기관내 합성가스 연소를 이용한 유해 배출가스 저감 ···23
2.5.1합성가스의 개념 ···23
2.5.2합성가스 연소 ···24
2.5.3배기다기관내 합성가스 연소(ESGI)···24
I IIIIIIII...실실실험험험장장장치치치 및및및 방방법방법법 ···222777 3.1실험 장치 ···27
3.1.1온도측정 장치 ···28
(1)측정센서 -열전대(Thermocouple)···28
(2)Signalconditioning모듈 ···29
(3)데이터 수집 하드웨어 ···31
(4)측정 프로그램 ···31
3.1.2Rotaryvalveunit···31
3.1.3합성가스 분사 및 점화장치 ···34
3.1.4고속카메라 (PhotornFASTCAM 512)···36
I
IIVVV...결결결과과 및과 및및 고고고찰찰찰 ···333999
4.1분사위치에 따른 연소특성 ···39
4.2합성가스 분사압력에 따른 연소 특성 ···42
4.3산소량에 따른 합성가스 연소 특성 ···43
4.4합성가스 연소 가시화 ···45
V
VV...결결결론론론 ···444888
R
RReeefffeeerrreeennnccceee ···555000
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감
감감사사사의의의 글글글 ···555666
L L
Li i is s st t to o of f ft t ta a ab b bl l le e es s s
Table3.1Experimentalcondition···38
L L Li i is s st t to o of f ff f fi i ig g gu u ur r re e es s s
Fig.2.1VariationofHC,CO,andNO concentrationintheexhaustgas ofaconventionalspark-ignitionenginewithfuel/air
equivalenceratio···16
Fig.2.2Schematicdiagram ofsyntheticgasgeneration···23
Fig.2.3ConceptESGIoperationstrategy···25
Fig.2.4Schemeticdiagram ofon-boardESGIsystem inanexhaust manifold···25
Fig.3.1Schematicdiagram ofrig-testforESGI···27
Fig.3.2K-TypeThermocouple···29
Fig.3.3SignalconditionerSCXI1000andterminalblockTC-2095···30
Fig.3.4RotaryvalveunitandChopperdesign···32
Fig.3.5Chopperdisk···33
Fig.3.6Photographofinjector···34
Fig.3.7Photographofglow plug···35
Fig.3.8Highspeedcamera(PhotornFASTCAM 512)···36
Fig.3.9Locationofinjectorandthermocouple···38
Fig.4.1Variationofexhaustgastemperature(Injectionpoint:I1)···39
Fig.4.2Variationofexhaustgastemperature(Injectionpoint:I2)···40
Fig.4.3Variationofexhaustgastemperature(Injectionpoint:I3)···40
Fig.4.4Variationofexhaustgastemperature(Injectionpoint:I4)···41
Fig.4.5Variationofexhaustgastemperaturewithchangesininjection pressure···42
Fig.4.6CombustiontemperatureofO2volumefraction(%)···43
Fig.4.7Thermointensityimagesofsyntheticgascombustionin
exhaustmanifold(20% O2)···45 Fig.4.8Thermointensityimagesofsyntheticgascombustionin
exhaustmanifold(I2)···46
국 국 국 문 문 문 요 요 요 약 약 약
전 세계적으로 자동차 배출가스 규제가 점차 강화되고 있으며,이에 대 응하기 위하여 자동차업계는 배기저감 기술 개발에 총력을 기울이고 있 다.가솔린 기관의 배기저감 기술을 크게 분류하면 혼합기 준비,연소 및 배기후처리 기술 분야로 나눌 수 있으며,이들 기술들은 서로 밀접한 관 계를 유지하며 발전하고 있다.특히,배기 후처리 기술 분야에서는 냉간시 동 시 촉매를 예열하여 신속히 작동온도에 이르게 하는 여러 가지 기술들 이 연구 개발되고 있는데,이는 자동차 배출 공해성분 중 일산화탄소와 미연탄화수소가 FTP-75 냉간시동 모드 초기,즉 촉매가 가열되기 전에 규제치의 50～ 80% 가량이 배출되기 때문이다.
가솔린 기관의 냉간시동 초기의 약점을 극복할 수 있는 좋은 대안으로 수소 합성가스를 적용하는 방안이 주목받고 있다.가솔린 기관의 냉간시 동 시 촉매의 활성화 온도 도달시간을 단축하기 위하여 합성가스 (synthetic-gas)를 배기다기관에 분사하여 연소시키는 기술을 생각할 수 있다.합성가스란 개질기를 이용하여 생성된 수소를 포함한 혼합가스이다.
수소의 장점인 빠른 연소특성 및 넓은 가연범위로 인해 배기관 내에서 안 정적이고 빠른 연소가 가능하며,연소 시 발생하는 수소의 높은 에너지로 촉매 예열에 큰 도움을 줄 것으로 판단된다.
본 연구에서는 실제 가솔린기관의 냉간시동 조건에서 합성가스를 적용 하기 이전에 실제 기관의 배기관과 동일하게 일정 방향에 대한 유동조건 과 낮은 산소 농도 조건을 형성한 리그장치를 이용하여 배기관에서의 합 성가스 분사의 최적위치를 찾고자 하였으며 최적위치에서의 합성가스의 분사압력 및 산소량에 따른 합성가스의 연소 특성도 분석하였다.분석된 자료를 기초로 실제 가솔린 기관에 적용한다면 배기가스온도를 상승시켜
유해 배출물 저감 및 촉매의 활성화 온도 도달시간을 단축할 수 있으리라 기대된다.
Ⅰ Ⅰ Ⅰ. . .서 서 서 론 론 론
1 1
1...111연연연구구구의의의 배배배경경경
우리나라는 지난 30년간 경제 성장에 혼신의 노력을 기울인 결과 후진 국의 굴레를 단기간에 떨쳐버리고 이제는 중진국의 선두의 위치에 이르게 되었다.그런데 경제 성장 및 발전과정에서 우리나라가 환경문제에 대해 서 크게 소홀히 해왔던 것이 사실이다.그래서 21세기에 들어선 지금 그 동안 방치 되어온 환경악화가 오히려 우리 경제의 성장 잠재력을 위협하 는 요소로 등장하고 있는 상황이다.급속한 산업화에 따른 무분별한 화석 연료의 사용으로 지구온난화는 더욱더 가속화 되고 있으며,그 결과는 해 수면 상승,지구온난화 또는 사상 유래 없는 강력한 태풍 등 다양한 형태 의 기상이변으로 나타나고 있다.이는 화석연료를 사용 할 때 나오는 온 실가스 때문이며,화석연료의 대부분이 자동차에 의해 소비가 되고 있어 그 보유 대수의 증가는 환경오염과 직결되어 있다1).
대기의 전체오염물질 중 자동차가 배출하는 오염물질은 20% 정도만 차 지하고 있지만 대도시의 경우 전체 공기 오염원의 80% 이상이 자동차에 의한 것으로 평가하고 있다.자동차에 의한 대기 오염 물질로는 일산화탄 소(CO: carbon monoxide), 탄화수소(HCs: hydrocarbons), 질소산화물 (NOx:nitricoxides)및 입자상물질(PM:ParticulateMatters)등이 있으 며,호흡을 통해 이들 물질이 체내에 들어오면 산소 결핍증,폐 기능 저하 및 각종 질병 유발과 같은 직접적 피해를 일으키는 것으로 보고되고 있다
2).또한 연소에 의해 발생되는 이산화탄소(CO2:carbondioxide)는 온실효 과(greenhouseeffect)를 일으키는 중요한 원인이 되고 있다.
이에 따라 세계 각국은 환경 규제를 강화해 대기환경 오염의 주범인 자 동차 배기가스를 줄여 나가려고 힘쓰고 있다.자동차에서 연소에 의한 유 해 배출 물질의 저감을 위한 신기술 개발,즉 연소 효율의 개선,유해 배 출 물질의 생성 억제 기술 및 정화기술 등의 개발이 활발히 연구되고 있 으며,이와 병행하여 국가적 차원의 환경 보전 및 생존권 보호를 위한 각 종 유해 물질 배출 규제의 강화 등이 전 세계적으로 확산되고 있다3).
미국 캘리포니아 주에서는 97년도부터 LEV와 ULEV가 보급될 수 있도 록 하였고 최근에는 SULEV를 추가하여 정하였다.그러나 ZEV는 당초 정해 놓았던 98년 목표치가 자동차의 개발지연 등으로 2003년부터 2006년 까지 각 10% 보급하도록 규정하고 있으며 LEV는 2000년 96%에서 2006 년에는 35%까지 감소 보급하도록 하였고 ULEV는 2000년 2%에서 시작 하여 2006년에는 41%까지 단계별로 증가하며 SULEV는 2004년 5%, 2005년 10%,2006년 12% 증가 보급 되도록 규정하고 있다.최근에 적용 중인 자동차 배기가스에 관한 대표적인 규제로는 미국 연방환경청 및 캘 리포니아 대기자원국에서 시행하는 ULEV-Ⅱ와 유럽의 EURO-Ⅳ/Ⅴ가 있다4).그리고 리우 기후 변화 협약과 OECD에 가입함에 따라 지구 온난 화의 주범인 이산화탄소의 국가 간 총량 규제로 2008년까지 발생량을 1990년의 90% 수준으로 동결하고자 하고 있어 배출가스 문제는 피할 수 없는 당면 과제로 등장하였다.
1 1
1...222연연연구구구의의의 동동동향향향
자동차의 배기 배출물 저감 기술은 크게 전처리와 후처리로 나눌 수 있 다.전처리에 의한 연소 개선은 본질적인 수준에서 연소 현상을 제어하기 때문에 오염 물질의 저감에 좋은 특성을 보이지만,일반적으로 기관 설계 시 연소 현상은 출력 및 회전수 증가와 같은 동력성능의 극대화에 초점을 맞추어 설계되므로,유해 배출물 저감을 위한 연소 제어는 대부분 이와 같은 동력성능의 개선과 대립하는 특성을 가지고 있어 전처리 방식에 의 한 유해 배출물 저감 기술은 매우 어려운 기술적 제약을 받고 있다5).
그로 인해 고안된 것이 후처리 방법이며,연소실 안에서 충분히 저감 시킬 수 없었던 성분을 배기계에서 재반응시켜 정화의 목적을 달성하고자 하는 것이다.
현재 가솔린 자동차에 널리 사용되고 있는 후처리 장치인 삼원 촉매 장 치는 배기가스 중 유해 성분인 CO,HC와 NOx 사이의 반응을 촉진시켜 N2,CO2와 H2O의 무해한 성분으로 변환시킴으로써 이들 세 가지 유해성 분을 동시에 저감 시키는 역할을 한다.
일반적으로 촉매의 변환효율은 온도에 의해 크게 좌우되며 활성화 온도 (light-offtemperature)인 250 ～ 350℃에 이르기 전까지는 효율이 극히 낮지만 그 이상의 온도에서는 온도 증가에 따라 급격히 효율이 증가하는 특성을 갖는다.이로 인해 촉매가 낮은 온도에서 기관이 작동되는 구간, 즉 냉간시동 시 자동차 유해배기가스 배출이 많게 되며,일반적으로 FTP-75모드 주행 시 유해배기성분 배출량은 냉간시동 초기에 전체 배 출량의 50～ 80%를 차지한다고 알려져 있다.따라서 촉매 온도를 빠르 게 상승시키는 일이 무척 중요하다 할 수 있다.
촉매장치의 빠른 활성화를 위한 기술로서 근접장착식 촉매장치(CCC:
Close-Coupled Catalyst)방식은 이미 거의 대부분의 승용 가솔린기관에 적용되고 있다.촉매 예열성 확보를 위한 또 다른 기술적 대안으로는 EGI(ExhaustGas Ignition)및 UEGI(Unburned ExhaustGas Ignition) 등의 부가적 연소장치를 적용하는 방안이 기존의 연구에서 소개된 바 있 다6).그러나 EGI방식은 2차 공기 공급장치가 필요하며,농후한 혼합기가 과도하게 분사되기 때문에 연소실 내 연소 시 퇴적물의 생성과 같은 악영 향을 미치게 되는 문제를 안고 있다7).또한 UEGI방식은 EGI방식과 거 의 흡사하지만,실린더로부터 연소되지 않고 배출되는 미연 혼합기를 2차 공기 공급 장치 없이 연소시키는 방식이기 때문에 연소 확률 및 효율면에 서 문제점을 가지고 있고,연소시키기 위한 글로우 플러그를 지속적으로 작동시켜야 하기 때문에 배터리의 에너지 소모에 많은 문제점을 가지고 있다.그러므로 SULEV나 EURO-Ⅴ와 같은 배기규제를 만족하기 위해서 는 초저공해 자동차기술 개발이 필수적이다.이에 따라 최근 크게 관심이 증대되고 있는 수소 합성가스를 적용하는 방안은 가솔린기관의 냉간시동 초기의 약점을 극복할 수 있는 좋은 대안이 될 것으로 기대하고 있다8). 가솔린기관의 냉간시동 시 촉매 예열에 관한 문제를 해결하기 위하여 수 소를 포함한 합성가스(syntheticgas)를 배기다기관에 분사하여 연소시키 는 기술을 생각할 수 있다.이것은 수소의 장점인 빠른 연소특성 및 넓은 가연범위로 인해 안정적인 배기관내 연소가 가능하며,연소 시 발생하는 수소의 높은 연소 에너지로 촉매 예열에 큰 도움을 줄 수 있다.
1 1
1...333연연연구구구의의 개의 개개요요요 및및및 목목목적적적
가솔린 기관에서 발생하는 유해 배출물은 삼원촉매의 발달과 함께 대폭 적으로 저감이 가능해졌지만 환경규제가 강화되어감에 따라 삼원촉매가 활성화되기 전에 발생하는 다량의 유해 배출물이 문제점으로 대두되었으 며 이에 대한 저감기술이 필요한 실정이다.따라서 각국에서는 삼원촉매 의 활성화 이전에 발생하는 유해 배출물을 배기관 내에서 새로운 점화원 에 의한 재연소로 저감시키며 이때 발생하는 높은 연소가스 온도에 의한 빠른 촉매의 활성화를 위해 많은 노력을 기울이고 있다.그러나 가솔린기 관에서 배기관은 맥동으로 인한 불규칙한 유동현상이 계속적으로 일어나 고 산소농도가 낮기 때문에 미연가스에 의한 재연소가 어렵다.그래서 위 의 조건에서 연소가 가능한 새로운 물질의 첨가가 필수적이며 대표적인 첨가물로 수소의 이용에 대한 연구가 진행되고 있다9).수소는 연소과정에 서 이론적으로 물(H2O)이외에는 생성하지 않고 빠른 연소속도와 낮은 점화에너지에 의한 높은 에너지 밀도를 나타내기 때문에 배기관 내에서 연소를 일으키기 위한 첨가물로 매우 활용도가 높다10).따라서 가솔린을 개질하여 생산된 합성가스는 수소를 일정부분 포함하고 있기 때문에 배기 관 내에서의 연소효과를 얻을 수 있고 이를 통해 촉매의 빠른 예열성 확 보로 냉간시동시 발생하는 유해 배출물을 줄일 수 있을 것으로 예상된다
11).그러나 실제 가솔린기관의 배기다기관 내에는 배기 맥동에 의한 유동 현상과 산소가 적고 불활성 가스를 많이 포함하고 있기 때문에 합성가스 를 연소시키기 위해서는 적합한 연소조건을 만족시켜 주어야한다.
본 연구에서는 실제 기관의 냉간시동 조건에서 합성가스를 적용하기 이 전에 실제 기관의 배기관과 동일하게 일정 방향에 대한 유동조건과 낮은 산소 농도 조건을 형성한 리그장치를 이용하여 합성가스의 배기관 내의
첨가물로써의 이용성을 파악하였다.이를 위하여 배기관에서의 합성가스 의 분사 위치를 조정하였으며 이때의 연소효과를 파악하기 위해 각부에 온도센서를 설치하고 고속카메라를 통하여 화염 형상을 가시화하였다.
I I II I I. . .가 가 가솔 솔 솔린 린 린기 기 기관 관 관의 의 의 유 유해 유 해 해배 배 배출 출 출가 가 가스 스 생 스 생 생성 성 성과 과 과 저 저 저감 감 감
2 2
2...111...자자자동동동차차차 배배배출출출오오오염염염물물물질질질
대도시의 밀집된 공간에서 공기오염의 수단은 대체로 자동차의 영향이 대부분을 차지한다.자동차의 대부분은 가솔린 불꽃점화기관과 디젤 압축 점화기관이 차지한다.스파크점화기관의 배기가스는 질소산화물(일산화질 소 NO와 약간의 이산화질소 NO2-NOx라 한다),일산화탄소(CO)와 미연 탄화수소(HC)를 포함하고 있다.이와 같은 오염물의 배출량은 기관설계와 기관의 작동상태에 의존한다.이들의 배출수준은 대체로 NOx는 500 ～ 1000ppm 또는 20g/kg-연료,CO는 1～ 2% 또는 200g/kg-연료,그리고 HC는 3000ppm 또는,20g/kg-연료이다12,13).
2
22...111...111...탄탄탄화화화수수수소소소(((HHHCCC)))
미연탄화수소 배출은 몇 가지 다른 근원을 가지고 있다.압축과 연소에 따라 실린더 압력이 증가하고 실린더 안의 가스의 일부는 피스톤 및 링과 실린더 벽 사이의 틈의 체적은 이들 가스에 대해서는 매우 큰 체적이다.
대부분의 이 가스는 연소과정에서 연소되지 못하고 미연 연료공기 혼합기 로 남게 된다.그 이유는 이들 틈은 화염이 들어가기 위해서는 너무나 협 소하기 때문이다.이 가스는 팽창과 배기과정에서 틈에서 떠나며,미연탄 화수소로 배출된다.또 다른 HC의 근원은 연소실 벽이다.화염이 연소실 벽에 접근함에 따라 화염이 꺼지는 소염층(quenchlayer)에는 미연탄화수 소가 남는다.이들 얇은 층(≤0.1㎜)에 있는 미연탄화수소는 기관의 운전 조건에 따라 변화되며,희박혼합기에서는 연소온도가 낮고 화염전파가 느 리고 소염층의 두께는 두텁게 되어 많은 HC가 배기 중에 남게 된다. 미
연탄화수소의 세 번째 근원은 피스톤과 실린더헤드 및 실린더벽 유막(엷 은 윤활유의 막)에 흡수되는 탄화수소이다.또한 기관에 있어서 HC의 배 출근원이 되는 것은 기관 사이클 중 특별히 느린 연소에서 화염을 꺼지게 하는 덩어리(bulk quenching)에 기인하는 불완전연소이다.이와 같은 상 태는 공기연료비, 점화시기, 배기재순환량 등 배출물 제어(emission control)가 적합하게 매칭되지 않았을 때의 과도적 기관작동에 따라 발생 한다14).
2
22...111...222...일일일산산산화화화탄탄탄소소소(((CCCOOO)))
일산화탄소(CO)는 연소과정에 따라 생성된다.농후한 연료공기 혼합기 는 연료의 모든 탄소를 CO2로 완전히 연소시키는 데 요하는 충분한 산소 가 부족하여 불완전연소로 되어 일산화탄소 CO를 생성하게 된다.또한, 고온생성물에 있어서 생성된 CO2의 일부는 CO로 해리(dissociation)되어 팽창행정에 있어서 CO의 산화과정은 연소가스 온도의 저하에 따라 동결 된다15).
발생량은 공기연료 혼합비에 가장 크게 좌우된다.기관 작동시의 CO 발생 원인을 살펴보면,실린더간의 혼합기 불균일성,저온 시동 시 농후한 연료공급 및 과도운전시의 농후한 연료공급 등을 들 수 있다.산소가 부 족한 영역에서 CO농도는 “Watergasequation”에 지배되며,공기가 충분 한 영역에서는 산소와의 주 반응식에 의해 CO2로 바뀐다.
CO +½O2⇄ CO2 (2.1)
CO +H2O ⇄ CO2 +H2(1600～ 1700K) (2.2)
위 식 (2.1)은 Reaction equation in air이고 식 (2.2)는 Water gas
equation으로 배기관의 배출농도는 연소실내에서 측정된 값보다는 낮으나 화학평형 값보다는 훨씬 높으며,이것은 실제 기관에서의 CO 배출은 비 평형에 지배됨을 의미한다16).
2
22...111...333질질질소소소산산화산화화물물물(((NNNOOOxxx)))
질소산화물 NO는 고온의 기연가스영역에서 생성된다.그러나 기연가스 영역이라 할지라도 연료-공기비의 분포가 균일하지 않기 때문에 이것에 따라 온도 분포도 균일하지 않으며 따라서 NO 생성률도 균일하지 않다.
이론 연료-공기비로 연소된 기연가스 영역에서 최대의 NO 생성률을 가 진다. NO의 배출을 감소시키기 위한 수단의 하나로 배기가스재순환 (EGR)을 사용하고 있는데,이것은 흡입혼합기를 희석(dilution)시켜 연소 온도를 낮춤으로써 NO 생성농도를 저하시키는 방법이며,연소의 질을 악 화 시킨다17).
질소산화물은 NO,NO2,NO3,N2O,N2O3,N2O4및 N2O5등이 존재하는 것으로 알려져 있으나,대기 중에서 검출되는 것은 N2O,NO 및 NO2등 이다.NO나 NO2는 독성이 있고 대기 중에서 광화학반응을 일으키지만 N2O는 무독성이며 광화학반응과 관계가 없기 때문에 N2O는 대기 중에 상당한 양이 존재하나 환경오염물질로 간주되지 않는다.또 NO나 NO2가 인공적으로 발생함에 비해 N2O는 대기 중에서 자연적으로 생성된다16).
연소 중 배출되는 NOx는 반응된 질소의 종류와 이 질소를 산화시키는 화학반응에 의해서 분류하면,thermalNO생성은 연소용 공기 중의 산소 가 고온에서 유리되어 연소용 공기 중의 질소 분자를 산화시켜 생성되며, promptNO생성은 연소 시 연료에서 발생되는 탄화수소기가 연소용 공기 중의 질소와 반응하여 생성된다.또한 fuelNO생성은 연료에 존재하는 화 학적으로 결합된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성된다.
대부분의 연소장치에서는 thermalNO가 NOx의 대부분을 차지하지만 유기질소 화합물을 다량으로 함유하고 있는 중유나 석탄을 연소시킬 때는 fuelNO가 중요한 NOx의 생성원인이 된다.promptNO나 fuelNO는 주 로 연소영역이나 가스 반응영역으로부터 조금 떨어진 후류에서 생성됨에 반해 thermalNO는 산소의 농도,화염온도 및 체류시간이 적당하기만 하 면 고온영역 어디에서나 발생될 수 있다. 실제 연소장치에 있어서 thermalNO는 고온의 화염후류에서 연료가 희박한 연소상태에서 많이 발 생한다.ThermalNO의 생성량은 연소온도가 높고 연소영역에서의 산소 농도가 높을 때 많아지며,저감대책은 그 반대방향을 취하게 된다.반면에 fuelNO에 대해서는 그 생성기구 조차 완전히 해명되어 있지 않아서 억 제대책에 대해서도 명확한 결론이 나오지 않은 상태이며 NOx의 생성에 영향을 미친다고 생각되는 연소영역의 산소농도를 저하시키는 방법을 사 용하고 있다.
2
22...111...4.44..이이이산산산화화화탄탄탄소소소(((CCCOOO222)))
가솔린(Iso-octane)연료의 완전연소 반응을 식 (2.3),(2.4)에 나타내었다.
식에서 나타낸 것과 같이 연료 1㎏ 연소 시 CO2가 약 3㎏ 발생함을 알 수 있다.
C8H18+12.5O2⇄ 8CO2+9H2O (2.3) 1㎏ C8H18+3.509㎏ O2⇄ 3.088㎏ CO2+1.421㎏ H2O (2.4)
CO2배출농도는 공연비의 영향이 크며 이론공연비에서 배출농도가 가장 높고 희박과 농후영역으로 가면 낮아진다.CO2를 저감시키는 방법으로는 가솔린 직접분사기관(GDI)방식으로 기관변환이 가장 좋은 방법이다16).
2 2
2...222...배배출배출출오오오염염염물물물질질의질의의 인인인체체체 및및및 대대대기기기 유유유해해해성성성 2
22...222...111...탄탄탄화화화수수수소소소(((HHHCCC)))
탄화수소(Hydrocarbon)는 일반적으로 불꽃이온화검출법(FID :Flame Ioni-zationDetector)으로 측정되는 THC(Totalhydrocarbon)농도로 표시 한다.FID법은 탄소원자(C1)개수를 측정하는 분석방법이다.HC 성분 중 에는 인체에 거의 영향을 미치지 않으며 광화학스모그 반응에도 관여하지 않는 성분(메탄 등)이 있으나,일부는 광화학반응에 매우 민감하여,발암 물질도 포함되어 있다.특히,광화학스모그 반응으로 Oxidantformation (오존 등)을 생성하는 척도로 CARB에서는 RAF(Reactivity adjustment factor)를 사용한다.화학적 성질에 따라 파라핀,나프틴,올레핀,방향족으 로 분류되며 이중 방향족화합물이 PAHs(Polynuclear aromatic hydrocarbon)가 특히 인체에 유독하며 대부분 입자상물질에 흡착되어 있 다.HC가 저농도에서는 호흡기 계통을 자극하는 정도이나,산화되어 알데 히드가 발생하면 눈,점막,피부 등을 심하게 자극하며 알데히드가 다시 산화하면 과산화물이 형성되어 광화학스모그의 원인이 되어 눈을 더욱 자 극한다.또한 HC는 고분자량탄화수소(미연소),저분자량탄화수소(열분해) 로 대별되는데,고분자량탄화수소는 발암성 또는 돌연변이를 유발할 수 있고,저분자량탄화수소는 눈염증,기침 및 재채기,졸음 및 술취한 것과 유사한 증세를 유발한다16,18).
2
22...222...222...일일일산산산화화화탄탄탄소소소(((CCCOOO)))
자동차 유해 배출물 중 발생량이 가장 많아 영향이 크며,무색․무미․
무취 가스로 피부나 점막에 대한 자극도 없어 감지가 어려우며 물에 작 녹지 않고 공기비중의 0.967배이다.헤모글로빈(Hb)과의 결합력이 산소에
비해 300배 이상 커서 체내 산소운반작용을 저해하여 조직의 저산소증을 일으켜 중독 내지는 사망에 이르게 된다.인지작용과 사고능력 감퇴,반사 작용 저하,졸음과 협심증 유발,무의식 및 사망을 유발하며,특히 임신여 성에 있어 태아성장 및 어린아이 조직발달에도 영향을 미친다.발생원 비 율을 보면 자동차,철도차량 및 건설장비가 80% 이상으로 절대적인 비중 을 차지하고 있으며,난방과 발전 및 산업 등의 순서이다19).
2
22...222...3.33..질질질소소소산산산화화화물물물(((NNNOOOxxx)))
NOx의 인체에 대한 영향은 여러 가지가 고려되고 있지만,그 중 하 나는 NO 및 NO2의 직접적인 폐기능 저하 및 혈액독으로서의 작용이다.
또 대기 중의 복잡한 오염물질에 의한 것으로서는 광화학 스모그 등의 눈 에 대한 자극 및 광화학산화제에 의한 폐기능의 장해까지 영향을 미친다.
또,공기 조성의 약 80%를 점하는 질소가 내연기관에서 1,000℃ 이상으로 가열되거나,또는 연료의 연소에 의해 생성하는 다환방향족 탄화수소와 반응해서 생성되어 대기 중에 방출되는 니트로 다환방향족 탄화수소류 (NO2-PAH),대기 중에 배출된 다환 방향족 탄화수소,NOx및 오존이나 OH 라디칼과 같은 활성산소가 태양광의 광화학반응에 의해 생성되는 것 으로 생각하는 산소원자 등을 갖는 니트로 PAH류 등이 있다16,19,20).
(
((111)))NNNOOO 및및및 NNNOOO222의의의 독독독성성성
건강한 사람에 NO를 15분간 흡입시킨 경우,15ppm으로 동맥혈 산소 분압이 저하하고(NO2에서는 5 ppm에서 저하),기도저항의 증대는 20 ppm에서 확인되는(NO2는 1.6 ～ 2 ppm에서 증대)등 폐기능의 장해가 확인되고 있다.또 NO 및 NO2는 혈액독으로서 작용이 있는데,혈액중의 헤모글로빈(Hb)과 결합하기 쉽고,생체 외 실험에서는 그 친화성이 산소
의 약 30배나 된다는 결과도 나오고 있다.NO에 폭로된 사람의 혈액 중 에서 생성된 니트로소-Hb(NO-Hb)는 Hb에 의한 산소의 운반을 저해한 다.그러나 NO에 폭로된 동물의 혈액으로부터 NO-Hb가 검출된 것은 폭 로 직후이고, 시간경과와 함께 메트헤모글로빈(Met-Hb)이 검출된다.
NO-Hb는 혈중 산소에 의해 해독이 되고,또 산소에 의해 산화를 받아 NO2-로 되며,이것이 Hb와 반응해서 Met-Hb을 생성한다.그러나 사람에 게 NO를 15 ppm 흡입시켜도 Met-Hb의 생성은 확인되지 않았다.또, NO2의 경우,생체내의 H2O와 반응해서 NO2-를 용이하게 생성하기 때문 에 직접 Met-Hb을 생성해서 혈액독을 일으킨다16,20).
(
((222)))광광광화화화학학학 스스스모모모그그그의의의 독독독성성성
광화학 스모그는 NOx와 탄화수소,특히 올레핀류의 존재하에 태양광에 의해 유발되는 대기오염현상이다.우선 NO와 산소가 올레핀 및 알킬벤젠 과 같은 탄화수소와 반응해서 NO2를 생성하고,NO2가 광화학반응에 의해 NO와 O로 분해되고,O가 O2와 반응해서 오존을 생성하며.이 오존은 폐 기능을 저하시키고 1ppm에서 두통이나 기관지 자극 등을 일으킨다.
오존은 예컨대,2-부텐과 같은 올레핀류와 반응해서 오조나이드를 중간 체로서 과산화물 및 카르보닐 화합물을 생성한다.이들 오존 및 과산화물 을 광화학옥시던트라 칭하며,또 과산화물 라디칼과 NO2와의 반응물인 퍼옥시아실나이트레이트(PAN)는 눈 등에 자극성을 준다.이것이 소위 바 람이 없고 태양광이 많은 맑은 날 일어나는 광화학 스모그 현상이다.광 화학 스모그의 피해로는 현저한 눈의 통증이다.이러한 의미에서 광화학 스모그에의 NO2의 관여는 크다고 할 수 있다16,19).
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22...222...4.44..이이이산산산화화화탄탄탄소소소(((CCCOOO222)))
지구온난화(Green effect)의 주범으로 문제시되고 있으며,주요 물질로 는 이산화탄소(50%),메탄(19%),CFC(17%),오존(8%)및 질소(6%)등이 있다.지역별,국가별 이산화탄소 발생률을 보면 북미,중국,러시아,일본 및 인도 순이며 이들 국가에서 전 세계 발생량의 50% 이상을 차지하고 있다.
이산화탄소 배출측면에서는 가솔린기관이 70～ 80%를 배출하므로 앞 으로 디젤자동차의 증가가 예상된다.1992년 6월에 채택된 기후변화협약 이후 CO2규제에 대한 국제적 규제가 본격화되고 있으며 EU에서는 2008 년부터 자동차 배출물로서의 CO2 규제 시행을 결정하였다.대기 중의 CO2증가는 근세기 들어 급격하게 증가하고 있으며,이의 증가에 따른 지 구온난화 추세는 매우 심각하여 향후 30년 동안 지구 대기온도가 최소 1.5℃에서 4℃까지 상승할 것으로 예상하고 있다.
현재로서는 CO2 자체를 연소나 후처리기술로 저감할 수 있는 방안은 제시되어 있지 못하며 연료를 적게 사용함으로서 CO2의 생성량을 줄이는 것이 가장 현실적인 대책으로 알려져 있다.이미 미국과 유럽,일본 등 선 진국에서는 국가적인 차원의 초저연비자동차 기술개발 사업을 지원하고 있으며 (미국:Supercarproject,유럽:3litercarprogram 등),이들 사업 은 현재의 1/3수준의 연료소비율인 연료 3리터당 100㎞를 주행할 수 있 는 자동차기술을 완성하는 것을 목표로 하고 있다.
CO2규제와 이에 대응하는 초저연비자동차 개발이 향후 자동차기술의 가장 중요한 분기점이 될 것으로 예상된다16,19).
2 2
2...333...가가가솔솔솔린린린기기기관관관의의의 작작작동동동조조건조건건과과과 유유유해해해 배배배출출가출가가스스스의의의 상상상관관관성성성
위에서 정리한 가솔린기관에서 배출되는 오염물은 기관의 설계와 기관 의 작동 상태에 절대적으로 의존한다.가솔린 기관에서 유해 배출물을 결 정하는 가장 중요한 변수는 연료-공기 당량비(fuel-airequivalenceratio)
φ이다.Fig.2.1은 당량비 변화에 따른 각 유해 성분의 정성적 변화를 나 타낸다. 가솔린 기관은 최대의 출력을 얻기 위해서 이론공연비 (stoichiometricair-fuelratio)또는 약간 농후한 혼합비에서 작동시키고 있다.그러나 Fig.2.1에서 보는 바와 같이 이러한 원활한 작동이 이루어 지고 있는 이론공연비 부근에서는 NOx의 농도가 최대로 되며,이 부근 이외의 농후 및 희박 혼합기 영역에서 NOx는 급격히 감소하는 반면 CO 및 HC는 혼합비가 농후해짐에 따라 급증한다.또한 과도하게 희박한 상 태에서는 HC의 배출이 크게 증가하게 되고,기관의 작동은 비정상적인 상태로 변한다.이런 배출가스의 관계로부터 운전 조건에 따른 가솔린기 관의 배기성분 제어는 상당히 난해한 문제임을 알 수 있다.예를 들면,초 기 시동시와 같이 기관의 온도가 낮은 상태에 있을 때는 연료의 증발이 느리기 때문에,안정적 시동을 위해 혼합기를 농후한 상태로 공급하게 되 는데,이것은 Fig.2.1에서 보는 바와 같이 CO와 HC의 배출을 증가시키 게 된다.또한 출력을 극대화하기 위하여 이론공연비 부근으로 혼합비를 조절하면 NOx의 배출이 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
Fig.2.1VariationofHC,CO,andNO concentrationintheexhaustgas ofaconventionalspark-ignitionenginewithfuel/airequivalenceratio21)
2 2
2...444가가가솔솔린솔린린기기기관관관의의의 유유해유해해 배배배출출출가가가스스스 저저저감감감 기기기술술술 2
22...444...1 후11 후후처처처리리리장장장치치치를를를 이이이용용용한한한 유유유해해해 배배출배출출가가가스스스 저저저감감감
자동차의 배기 배출물 저감 기술은 크게 전처리와 후처리로 나눌 수 있 다.전처리 기술은 연소실 내부의 연소 현상을 분석하고,연소 현상에 영 향을 미칠 수 있는 여러 가지 설계변수,즉 연소실,흡기시스템 및 배기시 스템의 형상을 개선하거나,연소 메커니즘 자체를 변화시킬 수 있는 연소 환경의 구성,즉 배기가스 재순환장치의 정밀제어 및 재순환 가스의 냉각 등의 방법을 이용하여 유해 물질의 화학적 발생을 억제하는 방법을 의미 한다.배기후처리 기술은 배기관으로 배출되는 유해물질을 촉매장치 또는 필터 시스템 등을 이용하여 기관 외부에서 저감시키는 기술이다.특히 배 기후처리 기술은 가솔린기관을 중심으로 크게 발달되어 있다.가솔린기관 은 이론공연비 부근의 혼합비로 운전될 때 연소실 내부의 온도 및 압력이 극대화되어 높은 토크 및 출력을 얻을 수 있으며,CO 및 HC가 완전 연 소할 확률이 높아지게 되나,이러한 조건에서는 연소실의 가스 온도가 순 간적으로 너무 높아져 NOx의 배출이 크게 증가한다.이와 같이 가솔린기 관의 연료량 제어를 통한 전처리 기술을 통해 주요 유해 물질인 CO,HC 및 NOx를 동시에 저감하는 것은 매우 어렵다.그런데 삼원촉매에 의한 후처리 기술의 등장으로 이러한 기술적 한계는 크게 개선되었다.그러나 현재의 삼원촉매 기술은 촉매장치의 온도가 작동온도 이상의 조건에서만 정상적인 성능이 발휘되며,저온 시동과 같이 촉매장치 및 배기가스의 온 도가 낮은 경우에는 촉매의 정화반응이 활발하지 않으므로 시동 초기에 발생되는 HC의 저감에는 큰 효과를 발휘하지 못하는 것으로 알려져 있 다.따라서 시동 초기의 가솔린기관 배기가스는 매우 높은 수준의 HC 및 CO 농도를 보이게 된다.이는 시동 초기의 유해 물질 배출,특히 HC의
배출을 효과적으로 억제하는 기술을 개발하는 것이 규제수준의 만족을 위 한 필수적 요소임을 의미한다.즉 가솔린기관의 냉간시동 및 공회전 시의 촉매의 가열을 촉진하고 안정적인 연소를 일으키는 기술이 필요하다.근 접장착식 촉매장치,전기적인 촉매 가열방식,배기가스 점화방식 등의 가 열 촉진기술이 개발되어 있다22).
222...444...222배배배기기기재재재순순환순환환(((EEEGGGRR:R::EEExxxhhhaaauuussstttGGGaaassRsRReeeccciiircrrccuuulllaaatttiiiooonnn)
EGR은 배출가스의 일부를 다시 흡기관을 통하여 연소실로 다시 넣어 주는 것을 말한다.이것은 연소실내에 불활성 성분이 많아져서 단위 발열 량당 가스량의 증가로 인하여 연소 온도가 내려가서 NOx의 발생이 적어 지는 방법이다.일반적으로 EGR이 NOx를 저감시키는 가장 큰 이유 두 가지는 신기 희석 효과와 열 흡수 효과이다.신기 희석 효과는 흡기계로 유입된 EGR은 신기를 희석시켜서 연소 과정 시 산소의 농도 저하를 야 기 시키는 것이며,열 흡수 효과는 신기 희석 효과 시 CO2농도의 증가로 인하여 연소의 온도를 낮추어 NOx의 생성을 억제하는 것이다.하지만 이 방법은 NOx가 크게 감소하는 반면 연소실 내의 잔류가스가 증가하는 것 과 같은 효과이기 때문에 연소의 불안정성이 높아진다는 단점이 있다23).
222...444...33근3근근접접접장장장착착착시시시 촉촉매촉매매장장장치치치(((CCCCCCCCC:::CCClllosoosseeeddd---CCCooouuupppllledeeddCCCaaatttaalallyyysssttt))) 기관에서 배출된 배기가스 온도는 배기관에서 열전달에 의해 단위 길 이당 약 100℃정도가 낮아지므로 촉매는 최대한 기관 가까이에 장착하는 것이 좋다.배기다기관에 매우 가깝게 부착함으로 최대한 빠른 시간 내에 촉매가 작동온도(light-offtemperature)에 도달 하게 하여 공해물질을 줄 이고자 하는 기술이다.이 방식은 다른 방법들,즉 전기적인 촉매 가열방 식이나,초기 공연비를 농후하게 한 후 다시 점화시켜 촉매를 가열하는
배기가스 점화방식(EGI:ExaustGasIgnition)에 비해 저렴하고 효과적이 다.하지만 촉매가 고온의 배기가스와 직접 접하므로 활성화는 빠르지만 열화에 의한 특성 변화와 내구성이 문제가 되므로 이 부분이 해결과제로 남아 있다.예를 들면 촉매장지 입구의 유동 불균일성으로 인해 배기가스 유동이 촉매의 일부분에 집중될 수 있으므로 촉매의 수명 감소와 정화 효 율 저하를 야기 시킬 수 있는 단점이 있다.또한 고속주행 시에 촉매의 온도가 과다하게 상승하여 촉매 담체의 내열성을 더욱 확보해야 할 필요 가 있다.이에 대한 방안으로,별도의 전단촉매(pre-catalyst)를 기관 배기 관 가까이 설치하여 통로를 막고 삼원촉매로 배출가스가 흐르도록 하는 시스템도 있다.
222...444...444가가가솔솔솔린린린 직직직분분분사사사 기기기관관관(((GGGDDIDII:::GGGaaasssooollliiinnneeeDDDiiirrreeeccctttIIInnnjjjeeeccctttiiiooonnn)))
GDI기관은 연료의 저소비와 고출력을 동시에 만족시키기 위해 연료 의 분사시기가 기관에 걸리는 부하에 따라 변하하도록 설계되어 있다.일 반적인 도심주행 시 요구되는 부하 상태에서는 디젤 기관처럼 압축행정 말기에 연료를 분사하는데 이때 공연비는 40:1 정도로 희박하며,EGR 장치를 사용하는 경우 55:1까지도 희박해진다.
연비개선 및 배출가스규제에 대응하기 위해서는 GDI기관의 적용이 그 대안으로 많은 연구가 진행되고 있다.가솔린기관은 혼합기의 연소가 능범위가 상대적으로 좁으므로 기관의 부하를 조정하기 위하여 스로틀 (throttle)과정이 필요하게 되었으며,이러한 과정으로 인하여 저부하시에 펌핑손실(pumping loss)이 발생하게 되어 기관효율을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.GDI는 연소실내의 공간적인 연료분포를 제어하는 방식을 사 용함으로써 초희박연소를 가능하게 하였으며,이를 통하여 펌핑손실을 크 게 줄임으로써 기관효율 및 연료소비율 향상을 가져올 수 있는 가능성을
열어주고 있다.GDI기관은 기관부하에 따라 저부하 구간에서 운전되는 성층연소(stratifiedchargecombustion)와 고부하 구간에서 운전되는 균일 혼합연소(homogeneouschargecombustion)로 운전영역을 나눌 수 있다.
성층연소는 연소실내의 혼합기를 국부적으로 스파크플러그 주위에서 이론 공연비 또는 그 보다 약간 진한 공연비로 만들어 줌으로 해서 연소가 가 능하게 하는 연소기술이다.연소실내 연료대비 공기의 양이 많아짐에 따 라 연소실내 연소온도가 낮아져 NOx발생은 적을 것으로 생각될 수 있으 나,NOx발생이 국부적인 최고연소온도에 크게 좌우되고,GDI기관은 노 크한계 압축비보다 높은 압축비에서 작동하므로 NOx발생은 EGR을 사용 하지 않을 경우 기존 PFI(PortFuelInjection)기관에서와 비슷하다.또 한,PFI기관에서는 공기연료비가 16보다 희박해질 때 감소하는 반면 성 층연소 운전조건에서 공기연료비가 희박해질수록 증가한 연구가 보고되고 있다24).
일반적으로 GDI기관에서의 성층연소는 공연비(A/F:airfuelratio)가 50:1의 초희박영역 에서도 운전 가능한 기관특성을 가지고 있다.그런데, 이론공연비 부근(A/F:14.48∼ 14.62)에서만 CO,HC 및 NOx의 제거가 원 활한 삼원촉매는 이 영역에서 배출가스중 산소농도가 높음으로 인해 산화 반응이 활발하여 CO와 HC가 현저하게 저감되나,산화반응속도가 NOx의 N2와 O2로의 환원반응속도보다 훨씬 빠르기 때문에 환원반응에 필요한 CO와 HC가 부족하여 NOx저감이 제대로 이루어지지 못한다.
222...444...555가가가변변변 밸밸밸브브타브타타이이이밍밍밍 시시시스스템스템템(((VVVVVVTTT::V:VVaaarrriiiaababbllleeeVVVaalallvvveeeTTTiimimmiiinnnggg))) 저속과 고속의 모든 영역에서 효과적인 흡입효율을 얻기 위해 캠샤프 트 위치를 상대적으로 변화시키는 방법과 2개 또는 3개의 캠을 운전조건 에 맞추는 방식이 있다.현재의 기관은 주로 고회전,고출력화를 위해서
설계되었기 때문에 저속토크를 희생한 밸브 개폐시기가 사용된다.가변밸 브 타이밍 이론은 흡기밸브의 전체 열림각은 같으나 고속에서는 흡기밸브 의 열림을 빠르게 하여 밸브오버랩을 길게 하고 저속에서는 흡기밸브의 열림을 늦게 하여 밸브오버랩을 짧게 한다.기관의 회전속도 부하조건 등 에 따라 밸브 개폐시기 특성을 변환시키면 저속에서부터 고속까지 높은 토크가 얻어지고 동시에 아이들과 저부하시의 연비가 양호하게 된다.밸 브타이밍은 실린더 헤드 port와 연소실,흡․배기 타이밍등과 더불어 기 관의 성능특성을 좌우하는 중요한 인자이다.그러나 고정밸브 타이밍으로 는 아이들 전영역과 중․저속영역에서 고속영역까지의 고른 성능 특성을 얻지 못하는 제약이 있었다.따라서 가솔린 기관의 성능은 밸브타이밍을 가변 시킴으로서 운전 조건인 모든 스피드와 부하조건에서 최적화 할 수 있는데 중․저속영역에서의 흡기밸브 닫힘시기 진각은 펌핑손실을 줄여 성능향상을 가능하게 하고 고속영역에서는 흡기밸브 닫힘시기를 지각시켜 체적효율의 향상을 도모할 수 있다25).
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22...444...6배66배배기기기가가가스스 점스 점점화화화기기기술술술(((EEEGGGIII)))
미국의 Ford사에서 개발했던 EGI방식은 최대한 빠른 시간 내에 촉매 를 작동 온도점에 도달시키기 위해 냉간시동 초기 수초동안 연소실에서 농후한 혼합기를 연소시키고,배기관에 2차 공기를 공급하여 이론 공연비 근방으로 재조절한다.이 배기가스는 촉매 입구에서 글로우 플러그 등의 열원을 이용하여 점화되어 촉매를 가열한다.이 기술은 다른 방식보다는 적은 장치 비용으로 효율적인 배기 저감 효과를 얻을 수 있는 기술로 기 대되었다.그러나 2차 공기 공급장치가 부가적으로 필요하며,냉간시동 초 기 연소실 내부에서 과도하게 농후한 혼합기의 연소로 인해 연소실 내의 과도한 퇴적물 생성과 이로 인한 기관 및 촉매의 내구성에 미치는 영향이
검증되어야한다26).
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22...444...7미77미미연연연 배배배기기기가가가스스스 점점점화화화기기기술술술(((UUUEEEGGGIII)))
국민대학교 열기관 실험실에서 개발한 UEGI기술은 냉간시동 초기 수 초동안 4개의 실린더 중 2개의 실린더 점화신호를 차단한다.이때 실린더 로부터 연소되지 않고 배출되는 미연혼합기를 글로우 플러그를 이용하여 촉매장치의 입구에서 연소시킴으로서 촉매장치를 가열하여 촉매를 활성화 온도에 보다 빨리 도달하도록 해준다.UEGI작동기간 동안 기관은 나머 지 2개 실린더의 정상적인 연소를 통하여 아이들링 상태로 운전된다.
UEGI기술은 EGI기술이 갖고 있는 연소실내 퇴적물 문제와 기관의 내구성 감소 등의 문제점을 해결할 수 있으며,2차 공기 공급장치 등과 같은 특별한 부가장치 없이 글로우 플러그만을 이용하므로 장치비용이 아 주 저렴하다.또한 기관 시동 후 수초 내에 CCC 담체를 활성화 온도에 이르게 하여 초기 냉간시동 시 촉매의 예열에 매우 효과적이다27).
2 2
2...555배배배기기기다다다기기관기관관내내내 합합합성성성가가가스스스 연연연소소소를를를 이이이용용용한한한 유유유해해 배해 배배출출출가가가스스스 저저저감감감 2
22...555...111합합성합성성가가가스스스의의의 개개개념념념
합성가스란 기존의 동력원의 연료로 사용되었던 탄화수소계 연료와 공 기를 반응시켜서 수소를 포함한 물질로 재배열한 가스 상태의 물질을 말 한다.Fig.2.2는 합성가스의 발생 개념도이다.Fig.2.2에서 연료와 공기를 반응시키는 장치를 개질기라 하며 개질기에 의해 생성된 수소를 포함한 합성가스를 직접연소에 이용하기도 하며,합성가스 중 CO를 제거하여 연 료전지에 사용하기도 한다.합성가스는 개질기의 성능에 따라 H2,CO,N2
의 화학종을 생성하고 각각의 화학종의 생성농도가 변화하는데,개질기의 성능개선에 따라 개질성분은 CO와 N2의 비율은 줄고 H2가 많이 생성될 것으로 예측하고 있다.
F
FFuuueeelllPPPrrroococceeessssssooorrr
합 합
합성성성가가가스스스이이이용용용 연연연소소소기기기술술술
1)마이크로 합성가스 제조 2)합성연료 이용 연소기술적용
l Coldstart,UltraLeanburn l Soot제거 및 PM 감소
3)인젝터 및 연료시스템 개발 필요 연
연 연료료료
((가(가가솔솔솔린린린,,,경유경경유유,,,LLLPPPGGG,,,천천천연연연가가가스스)스)) 기기기상상상연연연료료료
HHH222:::226266...888%%% CCCOOO:::222222...888%%% NNN222:::550500...444%%%
수 수 수소소소제제제조조조공공공정정정
1)SR,POX,ATR 반응 2)자동차용으로 마이크로 반응기 개발 중
H H H222,,,CCCOOO (SynthesisgasorSyngas) C
C COOO 제제제거거거기기기술술술
1)수성전환반응(water-gasshift,WGS반응):CCCOOO 111%%% llleeevvveeelll
2)선택적 산화반응(PreferentialCO Oxidation,PROX,촉매반응):CCCOOO 111000ppppppmmm llleeevvveeelll
순 순
순수수수수수수소소소(((111000000도도도 이이이상상상)))
온 온 온도도도 555000～～～666000도도도 열 열 열 교 교 교 화 화화 기 기 기
U U Ussseee
H H Heeeaaattt
W W Waaattteeerrr
HHHyyydddrroroogggeeennn C
C Caaatttaaalllyyysssttt MMMeeemmmbbrbrraaannneee
E E
Ellleeeccctttrrriiiccccccuuurrrrrreeennnttt
E E Ellleeeccctttrrrooodddeeesss
Fig.2.2Schematicdiagram ofsyntheticgasgeneration29)
2
22...555...222합합합성성성가가가스스스 연연연소소소
Fig.2.2에서 보는바와 같이 합성가스 연료는 수소를 포함하고 있다.수 소는 연소 후 H2O를 발생시킬 뿐 불완전연소에 의한 유해 배기가스를 발 생시키지 않는다.하지만,수소의 빠른 연소특성과 높은 연소온도로 인해 서 NOx를 다량 발생시키는 단점을 가지고 있다.합성가스를 연료로 이용 하는 것은 수소의 연료적 장점을 이용해서 높은 에너지효율을 얻을 뿐 아 니라 연소에 의해 발생하는 유해 배기가스의 배출량을 저감하기 위한 연 소방법이다.수소의 장점을 이용해서 수소를 가솔린연료와 같이 일정량 연소시키고 연소안정성을 유지하는 희박 가연한계범위 확장을 통한 유해 배기가스의 배출량을 저감시킬 수 있다.
2
22...555...333배배배기기기다다다기기기관관관내내내 합합합성성성가가가스스스 연연연소소소(((EEESSSGGGIII)))
앞서 본 바와 같이 현재의 삼원촉매 기술은 저온 시동과 같이 촉매장치 및 배기가스의 온도가 낮은 경우에는 강력한 촉매기능을 발휘하지 못한다 는 것이 가장 큰 문제이다.이러한 냉간시동 초기 문제를 해결하기 위하 여 연구되고 있는 ESGI(ExhaustSynthetic Gas Injection)기술은 근접 장착식 촉매 전단의 배기다기관에 합성가스를 분사하고,이를 글로우 플 러그 등의 점화원으로 연소시킴으로써 촉매장치를 가열하여 활성화 온도 에 보다 빨리 도달하게 해주는 기술이다.합성가스의 성분을 보면 수소를 다량 포함하고 있으므로 EGI나 UEGI방식과 달리 농후한 혼합기보다 점 화가 용이하고,배기다기관내에 연소가 일어나더라도 연소 후 H2O를 발 생시킬 뿐 불완전연소에 의한 HC나 CO와 같은 유해 배기가스를 발생시 키지 않는 장점이 있다.또한 합성가스는 연소 시 높은 에너지를 짧은 시 간동안 방출할 수 있으므로,짧은 냉간시동 구간동안 촉매 예열에 적합한 혼합가스라 할 수 있다.Fig.2.3은 ESGI작동 개념도이다.
Fig.2.3ConceptESGIoperationstrategy
Fig.2.3을 통해 시동 시 기관의 온도가 기준온도 이상이면 기관은 바로 작동하게 되고,기관의 온도가 기준온도 이하이면 ESGI시스템에 가동된 다.이때 배기다기관에 설치된 글로우 플러그가 예열되고,일정 예열시간 이 지나게 되면 합성가스 분사 및 연소를 통해 촉매예열을 시작하게 된 다.
Fig.2.4Schematicdiagram ofon-boardESGIsystem inanexhaust manifold
Fig.2.4는 배기다기관에 ESGI시스템을 적용시킨 시스템 계략도이다.
Fig.2.4를 통해 배기다기관에 글로우 플러그 및 합성가스 분사라인을 제 외하고는 2차 부수장비가 들어가지 않는 것을 알 수 있다.이는 합성가스 가 매우 농후한 상황에서도 연소가 가능한 수소를 다량 포함하고 있기 때 문에 EGI방식과 같은 2차 공기공급장치가 필요하지 않기 때문이다.이처 럼 배기다기관에 큰 형상의 변경 없이 시스템을 꾸밀 수 있다는 것이 ESGI방식의 장점이라고 할 수 있다.
Ⅲ Ⅲ Ⅲ. . .실 실 실험 험 험장 장 장치 치 치 및 및 및 방 방 방법 법 법
3 3
3...111실실실험험험 장장장치치치
Fig.3.1Schematicdiagram ofrig-testforESGI
실제 기관의 합성가스 배기분사 기술을 기관에 바로 적용하기에 앞서 점화위치,분사위치 및 분사량 등을 최적화하기 위하여 Fig.3.1과 같이 실험 장치를 설정하였다.배기과정을 모사하기 위하여 chopperdisk와 배 기 매니폴드를 연결하였으며,배기 매니폴드는 촉매를 제거하고 촉매 위 치에 합성가스 연소를 가시화 할 수 있는 chamber를 제작하였다.
3
33...111...111온온온도도도측측측정정정 장장장치치치
Hi-speedUSB로 섀시당 최대 3.2MS/s스트리밍 아날로그 입력의 성 능을 가지는 CompactDAQ 섀시를 이용하여 cRIO-9211 4채널 열전대 슬롯으로 ± 80mV 아날로그 입력과 24비트 해상도;50/60Hz노이즈 제 거로 온도신호를 처리하였다.
(
((111)))측측측정정정센센센서서서 ---열열열전전전대대대(((ttthhheeerrrmmmooocccooouuupppllleee)))
열전대는 배기가스의 온도를 측정하기 위하여 K-type열전대를 사용하 였다.K-type열전대는 -270～ 1260℃의 권장 온도 범위를 갖고 있다.
750℃ 이상의 연소가 발생되는 곳에서의 사용은 좋지 않으나 짧은 시간동 안의 측정은 1350℃까지 측정가능하다고 알려져 있다.본 실험에서는 냉 간시동 초기 크랭킹 구간이 되는 시동 후 5초간의 실험값을 측정하게 된 다.따라서 배기가스의 온도 범위가 -270～ 1000℃이므로 K-type의 열 전대를 사용하였다.K-type의 열전대는 니켈을 주로 하는 합금으로 내열 성이 있고 저온의 습기 찬 환경에서의 내식성이 좋다.또한 열기전력 특 성은 온도에 대한 직선성이 양호하여,1000℃까지의 산화,불활성 가스 분 위기에서 가장 많이 쓰이고 있다.공업용의 온도 계측용으로는 안정성이 뛰어나고 열기전력이 뛰어나 오랫동안 널리 이용되고 있다.
Fig.3.2K-TypeThermocouple
(
((222)))SSSiiigggnnnaaalllcccooonnndddiiitttiiiooonniniinnnggg모모모듈듈듈
일반적으로 센서에서 나오는 전기적 신호는 측정하기에는 너무 미세한 신호이거나 노이즈가 신호보다 많아서 측정이 힘든 신호들이다.미세한 신호는 증폭을 시켜주어야 되고,노이즈가 많은 경우에는 필터링을 시켜 주어야 된다.이렇게 센서에서 나오는 전기적인 신호를 측정하기 좋은 신 호로 바꾸어 주는 하드웨어를 Signalconditioning 모듈이라고 부른다.본 실험에서는 특히 민감한 신호인 온도를 측정하는 장치로서 Signal conditioning 모듈이 꼭 필요하게 되었다. 따라서 Fig. 3.3에 나타난 NationalInstrument의 SCXI-1000 Signalconditioner와 TC-2095를 사 용하여 측정을 하였다.
Fig.3.3SignalconditionerSCXI1000andterminalblockTC-2095
(
((333)))데데데이이이터터터 수수수집집집 하하하드드드웨웨웨어어어
센서와 Signalconditioner모듈을 통과해서 나오는 신호는 아날로그 신 호이며,신호들을 컴퓨터가 인식하고 저장하기 위해서 디지털 신호로 바 꿀 필요가 있다.
본 실험에서 사용된 NationalInstrument의 PCI-MIO-16E-4의 DAQ card는 8개의 differentialmode의 inputchannel을 가지고 있으며,12bit 의 분해능과 250KS/s의 성능을 가지고 있어 본 실험에서 측정하고자 하 는 초기 5초간의 실험값을 고해상도로 측정할 수 있도록 하였다.
(
((444)))측측측정정 프정 프프로로로그그그램램램
위의 과정을 거쳐 측정된 신호들은 디지털 신호로 변형된 상태에서 NationalInstrument의 LabVIEW를 사용하여 데이터를 가시화 하고,저장 이나 분석을 수행하도록 하였다.
3
33...111...2R22RRoootttaaarryryyvvvaaalllvvveeeuuunnniiittt
Fig.3.4와 Fig.3.5와 같이 공기 조건에서의 실험은 rotaryvalveunit을 이용하여 연소순서인 1-3-4-2의 순서대로 분지관이 양쪽 고정디스크에 연결되고 그 사이에 180˚ 간격으로 두 개의 슬롯을 가진 chopperdisk를 일정속도로 회전시켜 시간에 따른 valveopenarea또는 각 분지관을 통 한 공기유량이 그림에 나타난 것과 같은 형태가 되도록 한다.즉 회전하 는 chopperdisk와 고정 디스크의 분지관 내경,구멍 사이의 간격,슬롯의 크기가 기관에서의 valveopenarea형태와 valveoverlap구간을 결정한 다.따라서 실제 기관의 배기밸브에 대한 valveliftcurve와 이로부터 계 산된 valveopenareacurve및 배기밸브 개폐시기를 바탕으로 설계된 양 쪽 고정디스크의 분지관 직경과 구멍 사이의 간격 및 chopperdisk의 슬
롯 크기를 결정하였다.Chopperdisk에는 두 개의 슬롯이 있어 디스크의 1회전은 밸브 개폐가 2회 일어나는 것과 같다.즉,디스크가 180˚ 회전하 면서 4개의 분지관 모두가 개폐과정을 거치는 효과를 일으키므로 실제 기 관의 2회전과 같은 결과를 얻을 수 있다.따라서 chopperdisk의 1회전 은 기관의 4회전과 같게 된다30).
Fig.3.5Chopperdisk
3
33...111...333합합합성성성가가스가스스 분분분사사사 및및 점및 점점화화화장장장치치치
가솔린을 개질하여 얻은 합성가스는 수소 26.8%,일산화탄소 22.8% 및 질소 50.4%로 구성되어 있다.실험에 사용된 가스는 위 성분과 유사한 조 성을 가진 모사가스를 이용하였다.실제 기관 적용에 앞서 리그실험을 통 해 이 모사가스의 분사 및 점화 위치를 선정하였다.Fig.3.6은 리그실험 과 실제 기관적용 실험에서 사용된 인젝터로 분사구 노즐의 직경은 0.4∼
1.2㎜로 제작하였다.분사는 솔레노이드 밸브를 이용하여 전기적인 신호 로 분사를 조절하였다.
Fig.3.6Photographofinjector
점화장치는 디젤기관에서 사용되는 글로우 플러그를 이용하였다.사용 전압은 약 11.5V이며 히터코일과 컨트롤코일로 구성된다.전원 공급 후 예열장치가 작동되면 약 30 A의 전류가 흐른다.코일의 온도가 빠르게 상승하여 컨트롤코일의 저항이 증가하면서 전류를 약 8～ 15A로 제한 하면서 플러그를 보호 해 준다.글로우 플러그의 온도는 전원 공급 후 약 4초 후에 800℃에 도달하는 SRM 타입이다.이 열원을 이용하여 배기다 기관에서 분사된 합성가스를 점화시킨다.이 열원을 이용하여 배기다기관 에서 분사된 합성가스를 점화시킨다.
Fig.3.7Photographofglow plug
